設計降壓轉換器

　　選擇開關頻率

　　盡管器件的開關頻率有時是固定的，還是有必要討論開關頻率的問題，主要的權衡因素是效率。簡而言之，MOSFET有確定的導通和關斷時間。當頻率增加時，過渡時間在總時間中所占的百分比會增加。結果是：效率降低了。如果效率是最重要的設計目標，就需要考慮降低開關頻率。如果系統效率足夠高，就可以采用更高的開關頻率。頻率更高，就可以使用更小的外部無源器件，即輸出電感器和電容器。

　　外部器件

　　設計分立解決方案是相當有難度的，大約需要40個器件，這是個需要額外付出大量努力的復雜工作。在設計電壓模式降壓控制器時，外部器件和其寄生效應對系統性能起了很大的決定作用。在討論每種器件時，我們再詳加敘述。

　　采用這種特殊降壓轉換器時，我們必須選擇5個額外器件，包括輸入電容、輸出電容、輸出電感器，高邊和低邊MOSFET。選擇輸出電感器時，要滿足輸出紋波的要求，以及減小PWM對瞬態負載的響應時間。電感器感值的下限是由紋波要求確定的。在尋找最小(可能也是最便宜的)電感器之前，要記住的一點是，電感器并不是完美的器件。實際的電感器有飽和等級。飽和級別必須高于系統中的峰值電流，才能設計出成功的產品。有經驗的設計者還明白，感值并不是不隨電流變化的常量。事實上，流過器件的電流越大，感值會降低的。請核實電感器的數據表，確保你所選擇的感值對系統中的峰值電流是足夠的。在更大層面上可能犯的錯誤是選擇最好的電感，雖然小心謹慎還是必要的。更大的感值可以減少輸出紋波，但也會限制壓擺率。最終，大電感會限制對負載瞬態的響應時間。因此在選擇電感器時，是選擇在更低的峰峰值紋波電流條件下更安靜的輸出，還是需要系統能夠對瞬態事件做出快速的響應，是需要做出明確的折中。

　　輸入電容負責吸收高邊MOSFET輸入電流的交流分量。因此，其RMS電流容量必須足夠大，才能處理由高邊MOSFET汲取的交流分量。由于質量和低溫度系數，陶瓷電容器可以對高頻分量進行去耦。降壓電容器提供更低頻率的RMS電流，這取決于占空比(當系統的工作占空比比50%越大，RMS電流越大)。降壓電容可以是幾個多層陶瓷電容器。然而在低成本應用中，通常使用幾個并聯的電解電容器。如果是采用表面貼裝，可以選固態鉭電容用作降壓電容，但是必須仔細核對電容器的浪涌電流等級(浪涌電流通常出現在啟動時)。在選擇降壓轉換器系統中的任何電容器時，需要尋找具有小等效串聯電容(ESL)、小等效串聯電阻(ESR)，最后是所需的總電容。還有，就是根據約算選擇最優的器件。對于電容電壓等級，還有一點需要注意。為減少難以發現的故障，可以選擇電壓等級是輸入電壓的1.2～1.3倍的電容器，也就是說，電壓要跨越輸入電壓的范圍。

　　在出現瞬態變化期間，輸出電容器必須對輸出進行濾波，再向負載提供電流。有趣的是，等效串聯電容(ESR)和電壓等級比實際容值對選擇什么樣的電容器影響更大。請注意，來自電感器的峰峰值電流紋波會通過輸出電容器的ESR，轉換成峰峰值電壓紋波。由于系統可能對輸出電壓紋波有限制，選擇一款最小化ESR的電容(或一組并聯電容器)就變得十分重要。當然，電容器必須有足夠的電壓等級。根據這些要求，就可以從供應商的電容器清單中選出最合適的方案。最后要注意的一點是，要對ESR數據加以更多的關注，因為數據表里的ESR數據可能并不是在你所選用的開關頻率下得出的。請檢查數據表，查看調整過的ESR數值。

　　一般根據Rds(on)、柵極電荷和熱管理需求來選擇MOSFET。查看幾家制造商的數據表，可以選擇象Infineon BSC050N03LS這樣的器件，該器件的柵極電荷為35nC，高邊MOSFET的Rds(on)為5mΩ。對應地，可以選擇Rds(on)為1.6mΩ的低邊MOSFET(BSC016)。

　　使環路閉合

　　前面已經討論過，輸出要反饋到輸入端，這樣就產生了一個補償環路。補償的方式有很多種，比如Type I、Type II和Type III。Type I是單極點方案，Type II是帶有一個零點的雙極點方案，Type III是帶有兩個零點的三極點方案。每種方案的元器件數量都比前一種要多，不過也使得設計靈活性更好。從性能考慮，通常將這個環路的帶寬設置為大約是開關頻率的四分之一。環路頻率與實際開關頻率重疊得越多，環路響應就越快。此外，要確保相位裕量大于30°，小于180°，這是一個典型的穩定性標準。

　　電壓模式轉換器的設計流程與磁滯降壓轉換器的流程類似。幸好，高質量的磁滯模式控制使外部器件的寄生效應不那么重要。其他流程也是類似的。

　　下面對設計降壓轉換器的過程稍加總結。選擇完控制器IC后，再選擇相應的外部器件。對每種選擇方案來說，參數的重要程度是不一樣的。選定MOSFET、輸出電感器、輸入和輸出電容器后，再設計補償電路。

　　人們已經做了大量工作來設計一款良好的降壓轉換器，而且現在已經有了集成度更高的版本。有些設計集成了MOSFET，有些設計集成了補償電路，還有的集成了輸出電感器，比如Intersil的ISL8201M。用戶所需要的只是設定輸出電壓的電阻、輸入電容器和輸出電容器，這對忙碌的系統設計者來說的確是個好消息。